余運(yùn)昌

?

一種混聯(lián)軟性拋光機(jī)器人的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

余運(yùn)昌

（廈門(mén)海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，福建 廈門(mén) 361100）

針對(duì)當(dāng)前拋光行業(yè)還停留在人工操作、生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)質(zhì)量不穩(wěn)定和中小微企業(yè)的實(shí)際現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)出一款混聯(lián)軟性拋光機(jī)器人系統(tǒng). 該機(jī)器人系統(tǒng)具有拋光接觸力自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力，適用于平面、回轉(zhuǎn)體等金屬鑄件表面的拋光. 通過(guò)PLC對(duì)該拋光機(jī)器人系統(tǒng)的變頻電機(jī)、伺服電機(jī)及力平衡氣缸進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)金屬表面的全自動(dòng)拋光功能. 實(shí)驗(yàn)證明，本機(jī)器人具有拋光效率高、拋光質(zhì)量穩(wěn)定的特點(diǎn)，特別適合中小型拋光企業(yè).

混聯(lián)控制；軟性拋光機(jī)器人；拋光接觸力自適應(yīng)

砂帶磨削是一種軟性磨削加工方法，具有較高的磨削效率和生產(chǎn)質(zhì)量. 砂帶磨削拋光具有磨削、研磨、拋光的多重作用，是金屬表面磨削拋光的一種常見(jiàn)加工方法. 目前，金屬表面的磨削拋光以人工為主，由于磨削拋光過(guò)程產(chǎn)生的金屬粉塵對(duì)人體危害大，導(dǎo)致相關(guān)企業(yè)嚴(yán)重的“用工荒”；同時(shí)，人工操作難以控制產(chǎn)品的拋光質(zhì)量和生產(chǎn)效率[1]. 對(duì)金屬產(chǎn)品表面拋光工藝分析發(fā)現(xiàn)，磨頭膠輪與工件接觸力的大小直接影響拋光效果，因此拋光機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)具有拋光接觸力自調(diào)節(jié)功能[2]. 六自由度工業(yè)機(jī)器人和砂帶恒定力拋光系統(tǒng)[3]雖然能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)打磨拋光，但設(shè)備昂貴，難以在薄利的打磨拋光中小微企業(yè)大規(guī)模應(yīng)用. 本文考慮廈門(mén)某企業(yè)的實(shí)際狀況，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了適合金屬鑄件拋光力自適應(yīng)的低成本軟性磨削拋光機(jī)器人系統(tǒng)，系統(tǒng)采用一個(gè)伺服電機(jī)、一個(gè)三相異步電機(jī)和力平衡氣缸組成的混合驅(qū)動(dòng)方式.

1 拋光主機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 拋光系統(tǒng)工作原理

1.1 主動(dòng)輪直徑

1.2 砂帶張力

根據(jù)已知的電機(jī)功率和拋光輪的直徑，在電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速下，計(jì)算出砂帶的張力為

1.3 張緊氣缸缸徑

1.4 拋光接觸力

表1 拋光機(jī)構(gòu)主要部件及參數(shù)

完成拋光機(jī)構(gòu)主要部件的計(jì)算和技術(shù)選型后，采用PROE5.0繪制的拋光機(jī)三維結(jié)構(gòu)如圖2所示.

2 混聯(lián)拋光機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本混聯(lián)磨削拋光機(jī)器人屬于企業(yè)自用設(shè)備，綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益和開(kāi)發(fā)周期，選擇PLC作為控制器、觸摸屏作為人機(jī)交互界面. 變頻調(diào)節(jié)三相電機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)亩刂粕皫У哪ハ骶€速度，以適應(yīng)不同材料的砂帶磨削拋光工藝.

1.拋光機(jī)底座；2.大彈簧；3.拋光電機(jī)；4.全鋁輪；5.拋光砂帶；6.張緊氣缸；7.拋光槽輪；8.頂起氣缸

2.1 PLC及電機(jī)控制

信捷XC3-24T-C具有14位輸入信號(hào)端口、10位輸出信號(hào)端口（2路高速數(shù)字脈沖輸出端口）. 2個(gè)通信口均能用于編程下載和通信，通常，通信口1用作程序下載，通信口2用作網(wǎng)絡(luò)通信. 本設(shè)計(jì)用通信口2與三菱變頻器通信以調(diào)節(jié)拋光電機(jī)的轉(zhuǎn)速.

2.2 拋光機(jī)器人工作流程設(shè)計(jì)

本機(jī)器人主要用于金屬鑄件的全自動(dòng)磨削拋光過(guò)程. 在一個(gè)工件的磨削拋光過(guò)程中，機(jī)器人通過(guò)運(yùn)行PLC程序完成工件夾緊、定位、磨削拋光加工、工件松開(kāi)等動(dòng)作. 具體拋光工作流程如圖3所示：

1）由機(jī)械手或工人將待加工件放置在夾具上完成工件的上料；

圖3 機(jī)器人拋光工作流程

2）按下啟動(dòng)按鈕，夾具將工件夾緊，拋光電機(jī)啟動(dòng)并達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的轉(zhuǎn)速；

3）磨頭氣缸將自適應(yīng)拋光系統(tǒng)釋放，膠輪磨頭壓到工件表面并開(kāi)始磨削拋光工作，工件按照預(yù)定的軌跡進(jìn)行直線移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；

4）完成拋光工作后，磨頭氣缸將自適應(yīng)拋光磨頭頂起，拋光電機(jī)停止運(yùn)行，工作臺(tái)回原點(diǎn)，夾具釋放工件，由機(jī)械手或工人取走工件；

5）上述4個(gè)步驟為一個(gè)拋光循環(huán)周期. 完成一個(gè)循環(huán)周期后，PLC計(jì)數(shù)器累加1，已完成加工工件數(shù)顯示到觸摸屏上.

表2是根據(jù)以上工作流程設(shè)計(jì)的PLC輸入輸出端口分配詳情.

表2 PLC輸入輸出端口分配明細(xì)

2.3 人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的人機(jī)交互系統(tǒng)選用臺(tái)達(dá)DOP-B系列觸摸屏，型號(hào)為B07S411，用于設(shè)備信息狀態(tài)的監(jiān)視和控制命令、數(shù)據(jù)的輸入. 圖4為本設(shè)計(jì)的拋光機(jī)器人系統(tǒng)的人機(jī)界面，包括手動(dòng)模式控制界面、自動(dòng)控制界面和參數(shù)設(shè)置界面. 手動(dòng)控制界面主要用于系統(tǒng)的調(diào)試與維修，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)、拋光電機(jī)或者單個(gè)氣缸的控制. 自動(dòng)控制界面主要用于機(jī)器人狀態(tài)的監(jiān)視以及拋光完成工件的計(jì)數(shù). 參數(shù)設(shè)置界面用于設(shè)置機(jī)器人運(yùn)行參數(shù)，主要包括自適應(yīng)拋光系統(tǒng)釋放和抬起位置、工件旋轉(zhuǎn)速度、夾具松緊時(shí)間及橫移氣缸的移動(dòng)位置.

圖4 人機(jī)交互系統(tǒng)界面

3 混聯(lián)軟性拋光機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖5 機(jī)器人拋光實(shí)驗(yàn)

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)的混聯(lián)軟性拋光機(jī)器人控制系統(tǒng)由PLC和觸摸屏組成，能實(shí)現(xiàn)氣缸和伺服電機(jī)的混合控制，完成工件的全自動(dòng)拋光過(guò)程. 由彈簧、膠輪、砂帶、電機(jī)等組成的拋光力自適應(yīng)系統(tǒng)，能使作用在工件上的拋光力均勻，達(dá)到較佳的拋光質(zhì)量. 本混聯(lián)軟性拋光機(jī)器人具有成本低、效率高和拋光質(zhì)量穩(wěn)定的特點(diǎn)，具有廣闊的市場(chǎng)前景.

[1] 江勵(lì)，杜天才，徐文杰，等. 一種混聯(lián)自動(dòng)拋光機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 五邑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017, 31(2): 58-61.

[2] 唐杰，王濤，常青，等. 模具拋光機(jī)器人柔性終端執(zhí)行器設(shè)計(jì)與分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2016(2): 263-266.

[3] 黃海濱，柯小龍，林曉輝. 鋁合金機(jī)器人砂帶恒定力拋光系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真[J]. 重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014, 28(11): 32-36.

[責(zé)任編輯：熊玉濤]

Design and Development of a Hybrid Soft Polishing Robot

YUYun-chang

(Department of Mechanical Engineering, Xiamen Ocean Vocational College, Xiamen 361100, China)

In light of the needs of the current polishing enterprises, which are still stuck at the manual operation stage with low production efficiency and unstable quality, a hybrid soft polishing robot system with adaptive polishing contact force is designed to solve the problem. Different kinds of surface such as plane surface and revolved bodies can be polished by the system. A PLC system is used to control a sever motor, a frequency conversion motor and force balancing cylinders to achieve automatic polishing. Experiments show that the efficiency and quality of polishing is improved by using the robot system, which is especially suitable for small and medium polishing enterprises.

hybrid control; soft polishing robots; polishing contact force self-adoption

TP242

A

2018-03-10

余運(yùn)昌（1979—），男，福建建寧人，講師，碩士，研究方向?yàn)橐苿?dòng)機(jī)器人、數(shù)控技術(shù).

1006-7302（2018）02-0067-05